この古典的な Facts So Romantic の投稿は、2013 年 6 月に最初に公開されました。
蝶の羽を見れば、生命について学ぶことができます。それが美しいとか、壊れやすいとか、色あせたときにだけ簡単に評価されるというわけではありませんが、それはすべて真実であり、翼で明らかです。
ある色が別の色に変わるパターンの端を非常に近くで見てください。境界線は、腕を伸ばした距離に見えるほど急激ではありません。線ではなく、グラデーションです。
これは不確実性についての教訓です。
蝶の色は鱗に由来し、それぞれが単一の細胞であり、単一の色相を着色しています。パターンの境界では、異なる色のうろこが混ざり合っています。トランジションとシェーディングは、ミックスの比率を変えることによって実現されます。美しい。また、分子生物学の用語では、遺伝子発現の確率的メカニズムのモデルでもあります。
各スケールの運命は事前に定められていません。たとえば、アゲハチョウの羽の表面にある細胞は、もともと黄色、青、または黒に特殊化されていませんでした。代わりに、これらの色素のそれぞれを生成できる可能性のある遺伝子が含まれています。
各バタフライ スケールの色を決定するのは、一言で言えばチャンスです。分子がちょうどいいタイミングでちょうどいい場所で細胞機構の一部に衝突し、遺伝子が特定の色素を生成します。それが起こる保証はありません。これは、確率と瞬間的なランダム性の問題です。 (同じ確率的メカニズムが、無地の羽の部分にも根底にあります。これらの部分では、ある色の遺伝子を引き起こす分子が非常に高い濃度で存在するため、最終的な色の結果が保証されます。)
生物学では、ランダム性をノイズ、偶発的な要因、エラーの産物と考える傾向があります。たとえば、ランダムな遺伝子変異は、完全なコピーを作成するはずの染色体複製システムのエラーです。ランダムな変異は、有害、取るに足らない、または有益である可能性がありますが、根本的に間違いです。 、整然としたシステムからの無秩序な逸脱。
蝶の翅を際立たせているのは、その色の根底にある予測不可能性だけでなく、可能性を利用したことです。 .ランダム性と不確実性は、モナークまたはチェッカースポットの秩序ある機能パターンに変換されます。この点で、蝶の翅は唯一無二のものではなく、生物学のどこにでもある原理の現れです。
Powers of Ten ゴーグルを装着して、倍率を細胞活動が発生する場所、いわゆる細胞機構のレベルまで上げてみましょう。ただし、その比喩は捨てなければなりません。細胞には確かに複雑でタスクを実行する構造が含まれていますが、「機械」という言葉は巨視的な世界の産物です。私たちは機械を、事前に定義された目的でしっかりと組み立てられたものと考えています。細胞レベルでは、類推は崩れます。
既知と未知が出会う、理論生物学、計算生物学、実験生物学の最先端で、細胞機械が再定義されました。それらが作られているタンパク質は、いくつかの段階的な設計図に従って折り畳まれたり展開されたりすることはありません.形状と機能は、原子の運動とそれらが及ぼす力に、極小のエネルギーシフトに非常に敏感です.
セルラー工場ではなく、ブレンダーが対流オーブンに変わり、誰かが通り過ぎると泡立て器がナイフに変わり、周囲温度がわずかに上昇するキッチンを備えたレストランを想像してみてください.キッチン全体がこのようになっていると想像してみてください。料理人や調理スタッフは意図的に動きますが、うろうろせずにはいられません。それでも 7 コースの食事がドアから転がり出てきます。
間違いなく、この比喩には独自の問題がありますが、要点はわかります。細胞の世界は常に変動する場所です。それはランダム性に満ちており、物事が厳密にランダムではない場合、不確実性があります.原子、分子、勾配は刻々と変化し、タンパク質も変化します。
ここで、不確実性はどこから来るのかと尋ねる人がいるかもしれません:それは本当に不確実なのですか?細胞内のすべての粒子の運動と特性を知っていれば、すべての分子の運命を予測できるでしょうか?それとも、量子物理学はあるレベルで方程式に入り、そのすべての不気味な不確実性と奇妙な確率が何らかの基本的な方法で生物学を形作っているのでしょうか?
私たちが知らないこと、そして決して知らないかもしれません。勉強するには難しすぎる問題です。いずれにせよ、特定の分子活動は、私たちが説明できる限り、ランダムまたは確率論的です。そして、細胞レベルでは、胚性幹細胞が腎臓や肝臓でのサービスに特化するかどうか、血液幹細胞が成長して酸素を運ぶか病原体を特定するかどうかなど、細胞の運命はある程度確率論的で決定的であることを知っています.表示される場合と表示されない場合があるシグナルによって。
繰り返しになりますが、驚くべきことは、このすべての不確実性から形が生じることです。何兆回もの細胞分裂を経た2つの一卵性双生児は、実際には私たちの目には同じように見えます.もちろん、同一のゲノムを持っているからといって、同一の結果が保証されるわけではありません。実際、細胞における確率論の役割は、まったく同じ環境で育てられた遺伝的に一致した酵母コロニーが非常に異なる方法で発達したときに明らかになりました.
それを説明しているように見えるのは、いわゆるエピジェネティックな応答の変化であることが判明しました。これは、環境や状況に応じて遺伝子の活動を変化させ、生物が生命の予測不可能な要求に応じて生物学を変えることを可能にするプロセスです。異なる酵母コロニーは異なるエピジェネティクスを持っていました。彼らは不確実性に対して異なる反応を示しました。利点は明らかですが、それ自体は偶然の産物であり、「継承された確率的変動」であった可能性があります。これは、遺伝的類似性にもかかわらず、自分の子孫の適応可能性を高める方法である進化的賭けヘッジです。
ここでも、生物学が不確実性を利用し、その上に構築され、生命に不可欠なものになっていることがわかります。そして、それはエピゲノムだけでなくゲノムでも明らかです。コピー作成の不具合によって生成された明らかにランダムなエラーが私たち一人一人にいくつか含まれている私たち自身のものを見ると、エラーがランダムに分布していないことがわかります。突然変異は、ゲノムのさまざまな部分でさまざまな割合で発生します。
これは、特定のシーケンスが進化の過程で残る傾向があると言っているのと同じではありません。エラーがあると問題が発生する可能性が高いからです。代わりに、そもそもランダムなエラーが発生する可能性 ゲノム全体で変動します。すべての細胞レベルで、ランダム性が利用されます。
生化学者の Arjun Raj と Alexander van Oudenaarden は、ジャーナル の「Nature, Nurture or Chance」というタイトルの記事で、「人生はランダム性と決定論の対比における研究です」と書いています。セル . 「生体分子相互作用の混沌から発生の正確な調整まで、生物は内部の働きのこれらの一見矛盾する 2 つの側面を解決することができます。」
これらの解像度はさらに高いレベルで発生しますか?個体群、種、群集、生態系における偶然からのパターン?私たち自身の生活の中で？私たちは社会や生活を細胞のように見ることはできませんが、直感的なレベルでそれを感じていることは確かです. 「私は自分の人生の軌跡を振り返って思います。たまたま電車の中でこの人にぶつかり、それがこれかあれにつながったのです」とラージは私に語った。 「非常に多くのことが、現時点では予測可能であるように感じますが、長い時間スケールでは予測できません。」
私は自分の人生について考えます：私の両親は電車で会いました。私の親友は、地下鉄の駅での偶然の出会い、クラス、ホッケーチーム、執筆の課題から来ました。彼らなしでは私の人生を想像することはできません。そして、なぜ友情をやめるのですか？秩序と無秩序がランダムなパターンで補間される宇宙そのもののレベルまでスケールアップしてみませんか?
そこには、おそらく、神やエイリアンの宇宙論者、深遠な時間など、想像を絶する広大さを想像するために使用するものの観点から、私たちは再び秩序を見つけるかもしれません.誰が確かに知っていますか。私たちはおそらく決してそうしません。しかし、蝶の羽を見て不思議に思うことはできます。
脚注
1. 蝶の翅の色を導く色素合成遺伝子は、比較的単純でわかりやすいため、理想的なモデル システムです。それはルールではなく例外です。ほとんどの形質は、多層の細胞および遺伝的関係を伴います。相互作用のネットワーク内にある相互作用のネットワークは、しばしば非線形の方法で動作し、複雑さの完全な生物学的入れ子人形です。これは、ランダム性と不確実性を利用することをさらに並外れたものにします.
2. これらの説明には、ある程度の不確実性があります。これらの問題を研究している一部の科学者は、これが起こっていると考えており、細胞内の分子および原子スケールで取得できる生化学データの断片は、計算モデルと一致していますが、ゆっくりと進んでいます.
たとえば、この PNAS で説明されているタンパク質のフォールディングとアンフォールディングのモデリングを考えてみましょう この記事は、この目的で使用される他のどのマシンよりも約 100 倍強力な、カスタム設計された大規模な並列専用ハードウェアによって生成されます。 1 日を通してフルパワーで動作し、わずか 10 マイクロ秒の分子細胞ダイナミクスをモデル化できます。 2,737 年間実行すると、1 秒となります。
Brandon Keim はフリーランスのジャーナリストで、科学、技術、自然について執筆しています。彼の作品はに登場しています Wired、Aeon、Scientific American Mind、その他の出版物。
